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                            路感模擬器研究現狀及發展趨勢

                            2022-05-27

                            一、概述 線控技術源于飛機控制系統,1972年NASA推出應用,對比傳統的機械和液壓系統,線控系統顯著提高了飛機的性能,而1960年首次應用在汽車上發...

                            一、概述

                            線控技術源于飛機控制系統,1972年NASA推出應用,對比傳統的機械和液壓系統,線控系統顯著提高了飛機的性能,而1960年首次應用在汽車上發展到現在正逐漸走向商業化?!緛碓矗郝犯心M器研究現狀及發展趨勢】汽車線控轉向系統由方向盤總成、轉向執行總成和主控制器(ECU)三個主要部分以及自動防故障系統、電源等輔助系統組成?!緛碓矗?60】。線控轉向系統結構組成及功能如圖1所示,其中:上層反饋器有路感模擬、角度控制、機械鎖止功能;下層執行器有角度控制、冗余控制等 ?!緛碓矗郝犯心M器研究現狀及發展趨勢】

                            二、國內外發展現狀

                            2.1國內研究現狀

                            國內研究人員對駕駛模擬器轉向系統的反饋力矩進行了研究。

                            宗長富等利用大型動態駕駛模擬器研究了不同車速和側向加速度下駕駛員偏好的方向盤反饋力矩特性,可為汽車轉向助力特性設計和線控轉向系統的力感模擬提供依據。

                            鄭宏宇等通過對車輛轉向系統反饋力矩的理論分析,設計了轉向系統的路感模擬方法,并進行了試驗,結果表明,反饋力矩模擬能明顯提高駕駛員的駕駛路感,提升車輛的操縱穩定性和舒適性。

                            羅石等根據實車傳統轉向系統的力傳遞特性提出了一種方向盤反饋力矩建模思路,并據此建立了線控轉向系統反饋力矩控制模型,通過試驗表明控制模型能夠實現轉向力感模擬需求。

                            齊健華對小型駕駛模擬器轉向系統的力矩反饋進行了研究,通過建立簡化的轉向系統模型,對設計的駕駛模擬器轉向系統反饋力矩進行了功能驗證,結果表明,反饋力矩系統可以提供理想的手感。

                            姚垠國對開發的 ADAS 駕駛模擬器轉向系統路感進行了研究,通過對轉向系統和輪胎進行建模,建立了反饋力矩模型,并在低速和高速工況進行仿真驗證,結果表明,在不同車速下轉向模型均能滿足路感模擬要求。

                            黃茫茫、張微微利用多體動力學軟件 Vortex 和 ADAMS,在 Creator 中建立了虛擬地形,對駕駛模擬器方向盤的實時力感進行了研究,確定了轉向反饋力矩計算模型中的相關參數值。

                            鄭杭通過對方向盤反饋力矩產生機理進行分析,確定了反饋力矩模型的組成部分,進一步確定了轉向力感影響參數,從而建立了力感反饋模型,并通過設計電機電流控制算法,在駕駛模擬器上實現了實車力感的模擬。

                            劉彥琳通過建立線控轉向系統的動力學模型和輪胎模型等,設計了路感模擬控制器,并通過搭建的硬件在環試驗平臺對提出的路感控制策略進行了有效性驗證,結果表明設計的控制算法對路感的模擬滿足駕駛員的偏好特性。

                            邱緒云等通過分析轉向系統和輪胎的力學特性,搭建了兩者的動力學模型,并通過 PID 算法對建立的力矩反饋模型進行優化,使得設計的轉向系統滿足路感模擬需求。趙林峰等[31]將方向盤的反饋力矩設計成與車速、方向盤轉角、側向加速度相關的函數并通過某車輛轉向系統零部件公司提供的試驗數據進行參數辨識,單獨設計了摩擦、阻尼、限位和主動回正四個部分的力矩,共同構成了方向盤反饋力矩模型。

                            任夏楠等為了得到不同駕駛員和行駛工況下的理想方向盤反饋力矩進行了相關試驗,通過試驗數據建立了理想方向盤反饋力矩模型。

                            王俊等運用多變量模糊控制技術來研究方向盤的反饋力矩,模糊控制器的輸入是方向盤的轉角、側向加速度和車速,輸出是方向盤反饋力矩。

                            唐昉在研究方向盤反饋力矩時,通過綜合考慮方向盤轉角、車速、側向加速度、和路面屬性等對方向盤反饋力矩的影響,設計了模糊控制器,并將其用在駕駛模擬器上進行試驗,結果與實車試驗吻合。

                            姜玉瑤建立了基于靜態 BP 神經網絡和動態 NARX 神經網絡兩種方向盤反饋力矩模型并進行了對比試驗,結果表明基于后者設計的方向盤反饋力矩模擬效果更好。

                            吉林大學的田承偉設計了包含阻尼算法以及回正算法的路感控制算法和基于理想傳動比的橫擺角速度反饋的主動轉向控制算法,并通過吉林大學自主研發的駕駛模擬器進行硬件在環仿真試驗對其設計的策略進行驗證。

                            鄭宏宇博士提出了采用動力學算法利用卡爾曼濾波觀測器對轉向器齒條力進行估計并設計了駕駛員喜好的路感,利用模糊控制對理想傳動比進行修正,并設計了動態反饋校正控制策略。

                            合肥工業大學的陳無畏通過觀察轉向盤力矩特性的影響因素,提出了一種方向盤力矩模型,并利用駕駛員偏好轉向盤力矩的試驗數據對模型中的參數進行了辨識,采用自適應PID控制算法對路感電機進行控制,并通過仿真分析驗證了所提出轉向盤力矩模型的有效性。

                            北京理工大學的于蕾艷等人研究了轉向剛度力矩、由側向加速度引起的轉向盤回正力矩、由輪胎回正力矩引起的轉向盤回正力矩及轉向阻尼力矩四種力矩,提出根據四種力矩組合的轉向盤力反饋控制策略,模型中的參數由駕駛員的主觀評價來確定。

                            劉永則將回正力矩看作輪胎拖距造成的回正力矩與由于主銷內傾與內移造成的回正力矩兩部分之和,該模型簡單、不存在摩擦力矩干擾,得到的轉向盤回正力矩較為真實。

                            清華大學季學武和上海大眾合作研發了基于線控系統的可定制化路感反饋技術研究取得了初步進展。

                            上海交大結合車速和車輛輪胎阻力矩等信息設計利用a函數曲線,b神經網絡,c模糊控制的最優控制器等控制算法來設計路感反饋控制器算法,并通過二自由度模型CARSIM和臺架試驗模擬。

                            江蘇大學的羅石教授設計了電流與速度的模糊反饋控制算法來實現路感模擬與方向盤回正,并利用傳感器以及卡爾曼濾波狀態觀測器對車身姿態預測,并設計了前輪轉角跟蹤算法并進行仿真試驗驗證

                            2.2國外研究現狀

                            豐田集團的研究學者采用狀態觀測器和曲線擬合方法來完成齒條力預估,并在臺架對各種工況進行了試驗,試驗結

                            果模擬出的路感合理性較高,貼近傳統轉向獲得的路感,證明該方法的可用性較高 。

                            現代集團的Sungwook等學者通過對線控轉向系統分析,完成動力學建模,并結合參數曲線擬合的方法完成了路感模擬,仿真結果表明該方法在一定的工況下可以獲得駕駛員期望的路感。在此基礎上,Soobo Park等學者開發出了具有兩種控制方法的線控轉向系統原型樣機,并進行了臺架試驗 。

                            雷諾集團的Julien等學者基于輪胎的回正力矩和方向盤手感之間的關系建立了線控轉向系統動力學模型,并結合參

                            數曲線擬合方法設計了路感模擬策略,為了保證系統的魯棒性和穩定性,采用了閉環控制方法,最后進行了整車試驗,結果表明該路感模擬策略和閉環控制策略對路面的干擾具有一定的魯棒性和穩定性。

                            TNO公司的Robert為實現線控轉向系統路感模擬的低速輕便性和高速穩定性能,采用SBW動力學建模的方法,并結合傳統轉向系統的路感試驗數據來優化線控轉向系統的路感模擬,試驗結果驗證該方法可以還原傳統轉向系統的路感 。

                            日本的Shoji Asai、Hiroshi Kuroyanagi 等針對線控轉向系統提出了路感模擬的方法,該方法使用干擾觀測器估計施加在齒條上的力矩,能夠良好地模擬轉向路感 。

                            三、技術相關

                            轉向系統是駕駛模擬器操縱系統中的關鍵組成部分,一方面要通過轉向系統將駕駛員的轉向意圖發送至車輛動力學模型,實現車輛的轉向;另一方面也要通過轉向系統將輪胎與路面的接觸信息傳遞給駕駛員,實現路感的模擬和方向盤的回正。

                            1.力矩執行機構

                            • 彈簧:成本低,效果差,較便利
                            • 液壓:成本高,效果好,不便利
                            • 氣壓:成本中,效果差,不便利
                            • 電機:成本中,效果好,中便利

                            2.路感力矩反饋估計

                            • 模擬傳統的車輛機械系統,通過車速、側向加速度和橫擺角速度等,建立與路感相關的動力學模型。路感真實,但模型復雜。
                            • 根據經驗設計的原則,通過車輛狀態參數【車速、方向盤轉角和側向加速度等】與方向盤反饋力矩的映射關系。得到一個以車輛狀態參數為輸入、方向盤手感為輸出分段函數。路感真實度欠佳,但標定的可操作性較強且靈活。
                            • 傳感器電流測量或者實際測量齒條力,基于線控轉向動力學模型,實驗標定力矩。

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